Краткая история сотворения мира. Великие ученые в поисках источника жизни на Земле

Вёзе удивляла неизменность генетического кода на протяжении миллиардов лет в миллионах эволюционных ветвей. За несколькими совсем незначительными исключениями все современные организмы – синий кит, красное дерево, человек и микробы – сохранили общий генетический язык, и это удивительно, если учесть, как быстро возникают диалекты в человеческой речи. Генетический код практически не изменился за миллиарды лет. Причина этой невероятной стабильности оставалась загадкой вплоть до 1960-х гг., когда ученые впервые занялись решением этой проблемы.

Вёзе видел ключ к разгадке в открытии физика из Сиэтла Виктора Фримана. В 1951 г. Фриман обнаружил, что вирус, инфицирующий болезнетворную бактерию Corynebacterium diphtheriae, можно использовать для превращения безопасного штамма бактерии в вирулентный штамм. Это наблюдение позволило объяснить, почему зараженные дифтеритом люди иногда заболевают не сразу, а через некоторое время. Еще более важно, что изучение Corynebacterium diphtheriae позволило Фриману описать один из первых примеров горизонтального переноса генов, то есть передачи генов одним организмом другому организму, не являющемуся его потомком. Позднее выяснилось, что в горизонтальном переносе генов участвуют многие микроорганизмы, вероятно, даже большинство. Вёзе предположил, что именно этот способ обмена генетическим материалом объясняет невероятную стабильность генетического кода. Всем организмам нужен однотипный язык, чтобы «разговаривать» друг с другом на генетическом уровне. Если изменится генетический код – исчезнет возможность обмениваться генетической информацией с другими организмами.

Кроме того, открытие горизонтального переноса генов позволило решить важную эволюционную проблему. Дарвиновская концепция естественного отбора лучше всего описывает сложные современные организмы, размножающиеся половым путем. Гены детей представляют собой смесь генов обоих родителей с различными накопленными мутациями. Однако большинство микроорганизмов не нуждается в половом процессе для воспроизводства[61]. Имея всего одного родителя, потомство представляет собой клоны, различия между которыми возникают исключительно из-за мутаций под действием внешних воздействий, например радиации, или из-за ошибок копирования генетической информации. Влияние таких мутаций чаще всего незаметно, иногда пагубно, а изредка – летально. Однако бывает, что мутации производят положительный эффект. В очень редких случаях они даже обеспечивают своему обладателю адаптационные преимущества. Однако, если бы эволюция основывалась только на накоплении мутаций, она происходила бы чрезвычайно медленно.

В традиционном представлении сложные организмы (высшие эукариоты) быстро продвигаются по эволюционной лестнице за счет полового размножения, тогда как прокариоты почти не эволюционируют, изменяясь исключительно за счет случайных мутаций. Горизонтальный перенос генов позволил объяснить быструю эволюцию первых микроорганизмов[62]. За счет свободного обмена информацией, примерно как в случае Corynebacterium diphtheriae, первые микроорганизмы смогли эволюционировать быстрее, используя более широкий набор генов. Вёзе называл горизонтальный перенос генов «волной, которая поднимает все суда».

В конечном итоге ученые поняли, что генами обмениваются даже очень отдаленные виды бактерий. Более того, бактерии способны поглощать ДНК мертвых бактерий. После смерти организма его генетический материал может сохраняться в окружающей среде достаточно долгое время. Микроорганизмы могут поглощать эту ДНК и включать ее в собственный геном. Можно сказать, что фрагменты генетической информации рассредоточены буквально повсюду, а Земля – большая библиотека, из которой микробы могут заимствовать гены.

Кроме того, Вёзе пришел к заключению, что горизонтальный перенос генов не только затрудняет выявление самых ранних событий в эволюции жизни, но и полностью переворачивает наши представления о структуре филогенетического дерева. Примитивные микроорганизмы так легко обменивались информацией, что корень дерева жизни, на самом деле, больше похож на сеть, в которой виды соединены между собой не однонаправленными прямыми линиями от предков к потомкам, а перекрестными связями, являющимися результатом горизонтального переноса генов. Новый взгляд на структуру дерева жизни полностью опровергал гипотезу Дарвина о том, что все современные организмы про изошли от одного общего предка. По мнению Вёзе, невозможно построить дерево, исходя из единственного предка. Все, что мы можем различить у самых истоков, – это беспорядочное сочетание разных организмов, эволюционировавших взаимозависимым образом.